近几十年来,铸铁管已广泛用于世界各地的饮用水分配系统(DWDS)。在北美,铸铁管是最常见的管道材料;在中国,90%以上的供水管道为铸铁管、球墨铸铁管或钢管。但是,铸铁管的腐蚀会导致饮用水水质恶化并对人体健康造成危害;此外,腐蚀还会破坏管道材料、降低水力容量,造成经济损失。因此,对金属管道腐蚀过程的研究与了解是非常重要的。

管道腐蚀通常是由电化学或微生物因素引起的,氯在其中起重要作用。在整个饮用水配送系统中,铁还原/氧化细菌是影响管道腐蚀的主要微生物,维持合理的余氯水平能够抑制微生物的生长以及水体再污染,但高浓度的余氯会促进管道电化学腐蚀的发生。早期的研究集中于探索氯或铁还原/氧化细菌对金属腐蚀的独立作用,很少有研究揭示这两个因素之间的相互作用。为此,本研究对氯消毒剂和铁氧化细菌在铸铁管早期腐蚀中的单独及协同作用进行了探讨。

通过研究发现,仅考虑余氯作用时,水体中高浓度的余氯会破坏金属表面的钝化膜,从而加速管道的腐蚀。但是,当水体中硬度较高时,高浓度的余氯会使水体pH增加,钙或镁等离子极易在管道表面沉积,促进了钝化膜的形成,从而抑制管道腐蚀的进行。此外,余氯还可使水体中的TOC降解为小分子生物可同化有机碳,有利于铁氧化细菌的生长,加速了管道的生物腐蚀。

对余氯与铁氧化细菌的作用进行综合研究后发现,随着余氯浓度的增加,腐蚀程度加重。本研究将铸铁管的生物腐蚀在早期分为三个阶段:(1)随着余氯的增加,水体中的OH⁻浓度增加,促进了铸铁管表面钝化膜的形成,此时,铁氧化细菌未附着在管道表面,生物腐蚀作用可忽略不计;(2)余氯会将水体中的TOC降解为生物可同化有机碳,促进了铁氧化细菌的增长,此时管道腐蚀主要为生物腐蚀;(3)腐蚀结节出现并开始累积,反应体系趋于稳定。综上可知,在对电化学腐蚀促进不大的前提下,将水体中的余氯维持在适当水平可以抑制微生物的增长,从而抑制铸铁管的腐蚀。

配水管道在饮用水分配系统中起重要作用,然而管道腐蚀对管材、水质和人体健康都会产生不利影响。早期的研究集中于讨论消毒剂或细菌对管道腐蚀的独立作用,但实际应用场景往往会更加复杂,因此研究市政管道中多种因素的相互作用是很有必要的。本研究考虑了在铸铁管道腐蚀前期,次氯酸钠消毒与铁氧化细菌的协同作用。结果表明,将余氯控制在合适的水平可有效抑制生物腐蚀,并通过多种表征手段进一步明确了影响因素对管道腐蚀的作用机制,可为管道腐蚀控制提供了依据与指导。

张孝林,男,南京大学副教授,FESE青年编委。主要研究方向为砷氟污染控制材料与技术。以第一/通讯作者在Adv. Funct. Mater.、Environ. Sci. Technol.、WaterRes.、Engineering等刊物上发表研究论文40余篇,获授权中外发明专利10余项,主持国家自然科学基金等各类项目5项,获江苏省科学技术(基础类)一等奖(4/9)、环境保护科学技术二等奖(3/9)与日内瓦国际发明展金奖。

张铠珍,女,26岁,南京大学环境学院2019级环境科学与工程专业硕士生,导师为张孝林副教授,研究方向为饮用水砷氟污染控制材料与技术。

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FESE 前沿研究:铸铁管早期腐蚀中次氯酸钠消毒与铁氧化细菌的协同作用

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